一种苯并吲哚方酸菁比色探针、制备方法及应用技术领域
本发明涉及化学分析测试技术领域,特别是一种苯并吲哚方酸菁比色探针、
制备方法及应用。
背景技术
铁和铜是维持人体正常生理机能或组织结构所必须的微量元素，铁是人体
血红蛋白、肌球蛋白和细胞色素中的重要成分。研究表明，缺铁会引起缺铁性
贫血和再生障碍性贫血，容易使人产生四肢无力和气喘症状；当机体内的铜离
子浓度超出或低于细胞所需的浓度范围时就会扰乱生命系统的正常活动而使细
胞中毒,从而引起严重的铜代谢障碍疾病,比如肝豆状核变性疾病,阿耳茨海
默氏早老性痴呆病，Menkes综合症等。为此各国政府部门都采取了各种有效措
施来改善国民的摄铁、摄铜的生理环境，如在人们日常必须的食盐或食品中添
加微量铁。然而，过多的摄入铁或铜会在脑、肾、肝等部位聚集而引起病变，
环境中微量的铜离子污染,可以通过生物链作用而产生富集，当人饮用或食用
受铜离子污染的水和食物,导致体内铜离子含量过高时,便会引发各种不治之
症。因此,就有必要对自然环境和生物体内的铜离子进行检测。设计与合成
对铜离子具有选择性识别功能的化学传感器近年来备受关注，已经成为化学科
学、环境科学和生命科学等领域的研究热点。
现有技术中，有文献报道有关采用荧光化学传感器来识别Fe3+，例如，国外
的ShinhyoBae等(TetrahedronLetters,2007,48,5389-5392)报道了一
种通过水合肼改性的罗丹明B类Fe3+荧光化学传感器，虽然其选择性比较高，但
是其灵敏度不理想。国内的彭文豪等人(化学试剂，2009，31，427-430)报道
了一种新型识别Fe3+的荧光化学传感器，但是其存在合成原材料价格较高，反
应步骤多和反应后处理复杂等问题，不利于实际应用。中国专利CN101261228A
公开了铜离子荧光探针，其制备方法相对复杂，且只有荧光增强，并无颜色变
化，判别识别不明显，不利于实际应用。
方酸菁染料是由方酸与富电子芳基化合物或胺类化合物缩合生成的1,3-二
取代衍生物，该类化合物的显著特征是在可见光至红外光区有狭窄而强的吸收
带和较高的量子产率，这种光电特性主要来源于分子内强烈的供体-受体-供体
(donor-acceptor-donor)间的电荷迁移作用。近年来，方酸菁类化合物以其优异
的光学性能、良好的光稳定性备受青睐，成为功能性染料研究的热点之一，此
外，方酸菁化合物对介质较为敏感，在不同溶剂中，其光学性能差别很大，并
且与某些化合物作用后其自身颜色能够发生明显变化，是构筑化学传感器的理
想材料。
综上所述，开发一种合成方法简单，反应条件容易控制的，识别灵敏度较
高，成本较低的苯并吲哚方酸菁比色探针、制备方法及应用是当前要研究的问
题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有的Fe3+和Cu2+的识别技术中存在的问
题，提供一种合成方法简单、反应条件容易控制的、识别灵敏度较高、成本较
低的苯并吲哚方酸菁比色探针、制备方法及应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种苯并吲哚方酸菁比色探
针，该比色探针为2,3,3-三甲基-4,5-苯并吲哚方酸菁，结构式如下：
一种苯并吲哚方酸菁比色探针的制备方法，
该制备方法具有如下步骤：
(1)将2,3,3-三甲基-4,5苯并吲哚与方酸按照摩尔比2：1混合加入三口
烧瓶，加入溶剂，连接冷凝回流管和斯托克分水器，通氮气，105-115℃下加热
回流搅拌6-8h，溶液由深褐色变为深绿色，反应中生成的水用分水器分出；
(2)反应结束后，停止加热，待溶液冷却至室温后，用石油醚洗出瓶内部
分固体，将所得溶液旋蒸后去除溶剂，再用石油醚洗涤两次，所得产物放入烘
箱烘干，得到墨绿色粉末；
(3)将(2)所得墨绿色粉末以石油醚和乙醇混合溶剂(体积比V石油醚：V乙
醇＝8:1)作为洗脱剂，利用柱层析进行分离提纯后，得最终苯并吲哚方酸菁产品。
进一步，所述步骤(1)中的溶剂为甲苯与正丁醇混合溶剂,优选地，所述
甲苯与正丁醇混合溶剂的体积比为1:5。
本发明所述的苯并吲哚方酸菁比色探针在识别Fe3+和Cu2+中的应用。
本发明所述的比色探针的有益效果如下：
(1)本发明的苯并吲哚方酸菁化合物合成方法较为简单，反应条件容易控
制，通过简单的处理就能够得到纯的产物，得到的方酸菁化合物具有优良的光
学性能和光稳定性；
(2)本发明的苯并吲哚方酸菁化合物在对Fe3+和Cu2+识别过程中，除了吸
收光谱有变化之外，颜色也发生了变化，特征明显，可广泛用于检测植物、人
体细胞及环境污水中的Fe3+和Cu2+。
(3)本发明可以通过加入EDTA，考察其对识别探针的影响，发明一种开关
式的铁离子和铜离子传感器。
(4)本发明可以通过加入其他离子，考察苯并吲哚方酸菁化合物-Fe3+，苯
并吲哚方酸菁化合物-Cu2+对其他金属离子不受任何干扰，这种特征显示了Fe3+，
Cu2+诱发的荧光效应可以与多离子共存，这也进一步证明了苯并吲哚方酸菁化合
物对Fe3+和Cu2+有良好的选择性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针与不同浓度铁离子作用后的吸
收光谱图；
图2为加入EDTA后，实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针与铁离子的可逆
作用图；
图3为实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针与不同浓度铜离子作用后的吸
收光谱图；
图4为加入EDTA后，实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针与铜离子的可逆
作用图；
图5为其它金属离子对苯并吲哚方酸菁化合物-Fe3+的干扰图；
图6为其它金属离子对苯并吲哚方酸菁化合物-Cu2+的干扰图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和应用例进一步阐明本发明的内
容，但本发明的内容不仅仅局限于以下的实施例和应用例。
实施例1
称取1.65g的2,3,3-三甲基-4,5苯并吲哚(约0.0081mol)和0.45g(约
0.00405mol)方酸加入250mL三口烧瓶中，加入15ml甲苯与75ml正丁醇,连
接冷凝回流管和斯托克分水器，通氮气，110℃下加热回流搅拌8个小时，溶液
由深褐色变为深绿色，反应中生成的水用分水器分出。反应结束后，停止加热，
待溶液冷却至室温后，用石油醚洗出瓶内部分固体。将所得溶液旋蒸后去除溶
剂，再用石油醚洗涤两次，所得产物放入烘箱烘干，得到墨绿色粉末。将所得
墨绿色粉末以石油醚和乙醇混合溶剂(体积比V石油醚：V乙醇＝8:1)作为洗脱剂，
利用柱层析进行分离提纯后，得最终苯并吲哚方酸菁产品。
实施例2
称取1.10g的2,3,3-三甲基-4,5苯并吲哚(约0.0054mol)和0.30g(约
0.0027mol)方酸加入250mL三口烧瓶中，加入10ml甲苯与50ml正丁醇,连
接冷凝回流管和斯托克分水器，通氮气，110℃下加热回流搅拌6个小时，溶液
由深褐色变为深绿色，反应中生成的水用分水器分出。反应结束后，停止加热，
待溶液冷却至室温后，用石油醚洗出瓶内部分固体。将所得溶液旋蒸后去除溶
剂，再用石油醚洗涤两次，所得产物放入烘箱烘干，得到墨绿色粉末。将所得
墨绿色粉末以石油醚和乙醇混合溶剂(体积比V石油醚：V乙醇＝8:1)作为洗脱剂，
利用柱层析进行分离提纯后，得最终苯并吲哚方酸菁产品。
应用例1
为了检测实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针对铁离子的识别性能，以无
水乙醇和水体积比4:1的混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物
配制成浓度为1×10-5mol/L，取50ml，向溶液中逐滴加入1×10-2mol/L的铁离
子溶液，利用紫外-可见光分度计依次测定其吸收光谱的变化，其作用光谱如图
1所示。由图可以看出，随着铁离子滴加量的增加，吲哚方酸菁化合物的吸收光
谱发生改变，位于678nm处的吸收峰逐渐降低，而在459nm处的吸收峰则逐渐
增加，而且，溶液颜色也发生明显变化，由绿色变为浅黄色。
为了检测EDTA对整个体系的可逆性的影响，以无水乙醇和水体积比4:1的
混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物配制成浓度为
1×10-5mol/L，分别取3ml配合好的溶液于三支试管中，标号为1，2和3号。
将2号试管滴入0.05ml1×10-2mol/L的铁离子溶液，3号试管滴入0.05ml
1×10-2mol/L的铁离子溶液和0.05ml1×10-2mol/L的EDTA溶液，分别测其吸光
度，其作用光谱如图2所示。由图可以看出，体系加入EDTA后，吸光度增加但
是小于苯并吲哚方酸菁化合物的吸光度，这说明，这个体系可以作为一种开关
式的铁离子传感器。
为了检测其它金属离子对整个体系的干扰性，以无水乙醇和水体积比4:1
的混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物配制成浓度为
1×10-5mol/L，分别取10ml配好的溶液于7只试管，标号1-7，依次加入1ml
1×10-2mol/L的Zn2+，K+，Na+，Ba2+，Mg2+，Ni3+，Ca2+溶液作为待测液，荧光强度
测定之后，再将1-7试管中加入0.05ml1×10-2mol/L的铁离子溶液作为对比试
剂进行荧光强度测定。结果发现，苯并吲哚方酸菁化合物-Fe3+对其他金属离子
不受任何干扰，这种特征显示了Fe3+诱发的荧光效应可以与多离子共存，这也进
一步证明了苯并吲哚方酸菁化合物对Fe3+有良好的选择性。
应用例2
为了检测实施例1制备的苯并吲哚方酸菁探针对铜离子的识别性能，以无
水乙醇和水体积比4:1的混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物
配制成浓度为1×10-5mol/L，取50ml，向溶液中逐滴加入1×10-2mol/L的铜离
子溶液，利用紫外-可见光分度计依次测定其吸收光谱的变化，其作用光谱如图
3所示。由图可以看出，随着铜离子滴加量的增加，吲哚方酸菁化合物的吸收光
谱发生改变，位于678nm处的吸收峰逐渐降低，而在459nm处的吸收峰则逐渐
增加，而且，溶液颜色也发生明显变化，由绿色变为浅绿色，几乎接近无色。
为了检测EDTA对整个体系的可逆性的影响，以无水乙醇和水体积比4:1的
混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物配制成浓度为
1×10-5mol/L，分别取3ml配合好的溶液于三支试管中，标号为1，2和3号。
将2号试管滴入0.05ml1×10-2mol/L的铜离子溶液，3号试管滴入0.05ml
1×10-2mol/L的铜离子溶液和0.05ml1×10-2mol/L的EDTA溶液，分别测其吸光
度，其作用光谱如图4所示。由图可以看出，体系加入EDTA后，吸光度增加但
是小于苯并吲哚方酸菁化合物的吸光度，这说明，这个体系可以作为一种开关
式的铜离子传感器。
为了检测其它金属离子对整个体系的干扰性，以无水乙醇和水体积比4:1
的混合溶液作为溶剂，将合成的苯并吲哚方酸菁化合物配制成浓度为
1×10-5mol/L，分别取10ml配好的溶液于7只试管，标号1-7，依次加入1ml
1×10-2mol/L的Zn2+，K+，Na+，Ba2+，Mg2+，Ni3+，Ca2+溶液作为待测液，荧光强度
测定之后，再将1-7试管中加入0.05ml1×10-2mol/L的铜离子溶液作为对比试
剂进行荧光强度测定。结果表明，苯并吲哚方酸菁化合物-Cu2+对其他金属离子
不收任何干扰，这种特征显示了Cu2+诱发的荧光效应可以与多离子共存，这也进
一步证明了苯并吲哚方酸菁化合物对Cu2+有良好的选择性。